形状记忆聚合物变形模式研究进展

张澜 马愫倩 王寒冰 梁云虹 张志辉

引用本文: 张澜, 马愫倩, 王寒冰, 梁云虹, 张志辉. 形状记忆聚合物变形模式研究进展[J]. 化学学报, 2020, 78(9): 865-876. doi: 10.6023/A20060219 shu
Citation:  Zhang Lan, Ma Suqian, Wang Hanbing, Liang Yunhong, Zhang Zhihui. Research Progress of Shape Memory Polymer Deformation Mode[J]. Acta Chimica Sinica, 2020, 78(9): 865-876. doi: 10.6023/A20060219 shu

形状记忆聚合物变形模式研究进展

    作者简介: 张澜, 女, 吉林大学仿生科学与工程在读博士. 2016 年 6 月毕业于长春理工大学, 获得学士学位, 2016年至今就读于吉 林大学, 主要研究方向为形状记忆聚合物的3D打印以及聚合 物的改性与制备研究.;


    梁云虹, 女, 吉林大学教授, 博士生导师. 2008 年于吉林 大学材料科学与工程学院获得博士学位, 随后在吉林大学进 行博士后研究. 2011年至今在吉林大学任教, 2016~2017年间 作为访问学者在英国曼彻斯特大学进行研究交流. 主要研究 方向为仿生机械结构设计与功能材料制造、仿生自驱动柔性 机器人设计与智能材料制造、仿生3D与4D打印技术等.;

    通讯作者: 梁云虹, E-mail: liangyunhong@jlu.edu.cn
  • 基金项目:

    项目受国家重点研发计划(2018YFB1105100,2018YFA0703300和2018YFC2001300)、国家自然科学基金(51822504,51675223和91848204)、吉林省科技攻关项目(20180201051GX)、吉林大学科技创新研究团队计划(2017TD-04)、装备预研教育部联合基金(2018G944J00084)和中国博士后科学基金(2019M661204)资助.

摘要: 近年来,形状记忆聚合物(SMP)的发展取得了明显进步,其自身的优势也得到了充分的展示.形状记忆聚合物是一种刺激响应智能材料,在特定的外部刺激条件下可以根据预先设计的方式改变形状.形状记忆聚合物具有密度低、变形量大、驱动方式丰富、生物相容性好等一系列优势,使其在航空航天、生物医学、仿生工程、电子元件、智能机器人等领域有着巨大的应用潜力.为了更好地适应不同应用和不同领域的需求,形状记忆聚合物的变形模式也在不断地创新,本综述介绍了形状记忆聚合物不同的变形方式及其相关应用的进展,并对形状记忆聚合物面临的挑战和其潜在的研究方向进行了展望.

English

  • 智能材料是一种能够感知外部刺激并产生响应驱动的功能材料, 也称为刺激响应材料[1], 具有感应、驱动和控制等功能[2]. 这些智能材料在外部刺激(如温度、光、电场、磁场、pH值、特定离子、酶等)下[3-9], 有些智能材料甚至会具有多刺激响应性[10], 在外部的刺激下会发生形状、颜色、刚度、柔韧性和能量转换等变化, 可以实现变形[11]、响应[12]、反馈[13]和自修复[14]等功能[15]. 其中, 形状记忆聚合物(shape memory polymer, SMP)是一种目前研究最为广泛的智能变形材料[16-18], 在适当的外部刺激下, 可以迅速地从临时形状转变为初始的永久形状[19-28]. 形状记忆聚合物的形状记忆效应(shape memory effect, SME)起源于聚合物中的两个独立区域, 即稳定的聚合物网络和可逆开关. 稳定的聚合物网络是由分子纠缠、晶相、化学交联或互穿网络形成[29-35], 决定了聚合物的永久形状; 可逆开关由结晶与结晶熔融态转变[36]、玻璃态转变[37]、各向异性/各向同性转变[38]、可逆化学交联[39]或者超分子结构的缔合/解离[40]组成, 起到了固定临时形状的作用. 形状记忆聚合物宏观变形过程可分为以下几个步骤: (1)首先, 需要一定的外部刺激条件, 例如, 温度敏感型形状记忆聚合物需要加热至高于转变温度Tt, 光敏感型形状记忆聚合物需要进行光照刺激, 溶剂敏感型形状记忆聚合物需要浸泡入溶剂中等; (2)其次, 通过施加外力赋予聚合物所需的变形, 赋予的形状可随意设计或根据实际应用进行设定, 在形状赋予完成后, 将形状记忆聚合物脱离外部环境的刺激, 例如, 温度敏感型形状记忆聚合物将其冷却至Tt以下, 光敏感型形状记忆聚合物熄灭光源, 溶剂敏感型形状记忆聚合物浸入纯净水中等, 此时形成的固定形状称为临时形状; (3)最后, 将形状记忆聚合物再次处于一定的外部刺激条件下, 形状记忆聚合物会自动恢复到初始形状, 也就是永久形状[41, 42].

    与形状记忆合金和形状记忆陶瓷相比, 形状记忆聚合物自身具有很大的优势, 例如, 密度低、重量轻、变形量大、耐应力性高、驱动方法丰富、玻璃化转变温度(Tg)可调节、致动模式可自由设计、更容易改性和加工等[43-46], 使形状记忆聚合物成为智能材料领域的研究热点. 基于形状记忆聚合物的各项优势, 其在各领域的应用十分广泛[47], 如航空航天领域中的低冲击释放部件、大型空间可展开结构[48]、医学领域中的缝合线、微创外科手术器械、植入式医疗设备[49-51]、电子设备[52]以及自组装结构等[53-55]. 这些应用有效解决了相应领域的瓶颈难题, 充分显示了形状记忆聚合物的应用价值.

    为了使形状记忆聚合物更符合各领域以及实际应用的情况, 其变形模式也会根据实际情况进行改进和适应, 不再仅仅是从一个临时形状变为永久形状的简单变形过程. 最近, 新型智能聚合物材料的设计和应用加快了形状记忆聚合物变形模式的发展. 除了形状记忆聚合物简单的单向双重记忆变形模式, 学者们还报道了形状记忆过程中具有多个临时形状的多重形状记忆变形模式、自折叠变形模式和双向形状记忆可逆的变形模式等, 变形模式更加多样化, 可以完成各种应用中的不同需求. 以往, 对于形状记忆聚合物的研究多以刺激驱动方式、应用方向以及聚合物种类等进行分类总结与报道[56-58]. 而不同的变形模式由于其各自的优点受到了越来越多的关注, 变形模式对材料的制备和应用领域有着重要的影响, 例如双重形状记忆聚合物一般由单一的聚合物制备而成, 具有一个变形的可逆开关, 多应用于仅需变形一次的结构; 多重形状记忆一般为多种聚合物材料复合或多种聚合物交联制成, 具有多个变形的可逆开关或具有一个宽范围的温度开关, 具有多形状记忆效应可控的优点, 可满足智能设备中某些应用的复杂要求; 自折叠结构多为单一的聚合物制备而成, 在制备过程中赋予预应力, 从而在外界刺激下使其自发地发生形状变化, 具有一个变形的可逆开关; 而形状记忆可逆的变形模式则突破了传统形状记忆聚合物变形不可逆的限制, 一般为多种聚合物材料复合或多种聚合物交联制备而成, 具有一个变形的可逆开关, 主要靠材料间的相互驱动实现双向的可逆变形. 不同变形模式的发展, 使得形状记忆聚合物的变形方式更加智能化, 可以更好地胜任医疗领域中的各种支架结构、自缝合线以及一些智能的手术设备, 也为航空航天领域中的可自部署设备提供了更多的选择, 促进了空间系统、执行器和智能机器人的快速发展. 为了系统地了解不同变形模式对形状记忆聚合物的材料选择、制备方法和应用领域的影响, 本综述从形状记忆聚合物的变形模式角度出发, 对形状记忆聚合物的发展进行了总结回顾, 以更好地了解该领域的发展状况. 变形模式是形状记忆材料一个重要的功能指标, 因此, 本综述从形状记忆聚合物不同变形模式的角度, 总结了形状记忆聚合物变形模式的最新进展. 本综述按照双重形状记忆、多重形状记忆、自折叠结构和形状记忆可逆的顺序进行了概述, 讨论了形状记忆聚合物变形模式面临的挑战和其潜在的研究方向.

    SMP在特定的外部刺激下可以自发地从临时形状恢复到永久形状, 但一般情况下这个变形过程是单向的且只有一个临时形状. 然而, 这种单一的变形模式有许多局限性和缺点, 严重制约了SMP的发展和应用. 因此, 为了适应不同的实际应用情况, 研究者们在SMP的变形模式上开展了大量的研究工作, 并展示了其在相关领域的应用潜力.

    在SMP变形的过程中, 由外力人为固定临时形状, 受到刺激后SMP自发地恢复为永久形状, 在恢复过程中SMP不能自主暂停此过程, 且稳定状态仅有临时形状和永久形状, 我们将这种变形模式称为双重形状记忆.

    Yang等[59]以聚乳酸(PLA)为原料, 采用3D打印的方式, 制造了一种可在温度条件下驱动的夹持器结构. 夹持器的初始形状为张开的状态, 将夹持器加热至PLA的玻璃化转变温度以上, 人为地将夹持器闭合, 闭合的夹持器可以抓取物品并对物品进行运输, 当再次将夹持器加热后就可以释放夹持器内的物品. 该方法为主动组装/拆卸、智能执行器、航空航天可展开结构等领域的设计和制造提供了新思路. Ge等[60]提出了一种基于高分辨率投影微立体光刻(PμSL)的4D打印方法, 用于打印基于光固化甲基丙烯酸酯SMP, 其玻璃化转变温度约为-50至180 ℃. 如图 1(A)所示, 采用这种4D打印方法可以制备具有形状记忆效应的埃菲尔铁塔、血管支架和不同结构形状的仿生抓手. Zarek等[61]通过商用立体光刻(SLA)3D打印机成功制备了具有复杂结构的心血管支架、埃菲尔铁塔和鹰的模型. 图 1(B)展示了在70 ℃下, 心血管支架、埃菲尔铁塔和鹰从临时形状逐步恢复到永久形状的过程. 立体光刻3D打印技术的使用克服了热固性塑料加工性能差的缺点, 并实现了其他技术无法轻易实现的复杂几何形状, 可应用于生物医学设备或柔性电子产品的制造.

    图 1

    图 1.  (A) 光固化SMP是以单官能团单体甲基丙烯酸苄酯(BMA)为线性链构建剂, 多官能团齐聚物聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(PEGDMA)、双酚A乙氧基二甲基丙烯酸酯(BPA)和二(乙二醇)二甲基丙烯酸酯(DEGDMA)为交联剂构建而成. 并展示了4D打印的形状记忆埃菲尔铁塔、支架和具有不同结构形状的仿生抓手及其变形过程[60]. (B) 精致而复杂的心血管支架、埃菲尔铁塔和鹰模型的3D打印结构, 以及在70 ℃时它们形状恢复的过程[61]
    Figure 1.  (A) Photo-curable shape memory polymer network is constructed by mono-functional monomer, benzyl methacrylate (BMA) as linear chain builder (LCB), and multi-functional oligomers, poly(ethylene glycol) dimethacrylate (PEGDMA), bisphenol A ethoxylate dimethacrylate (BPA), and di(ethylene glycol) dimethacrylate (DEGDMA) as crosslinkers. And 4D printed shape memory Eiffel Tower, stent and bionic gripper with different structural shapes and their deformation process[60]. (B) Exquisite and complex 3D printed structure of cardiovascular stent, Eiffel Tower and Eagle model and the process of their shape recovery at 70 ℃[61]

    Senatov等[62]制备了一种基于聚乳酸/羟基磷灰石(HA)复合材料的温敏型形状记忆多孔支架, 羟基磷灰石的加入使复合材料的软化变形温度从53 ℃转变为57 ℃. 多孔支架可进行加热压缩-加热恢复的双重形状记忆变形, 在变形过程中羟基磷灰石颗粒可以抑制裂纹的生长, 且多孔支架在加热过程中材料发生膨胀使裂缝缩小从而进行“自我修复”. 这种形状记忆多孔支架可以用作骨置换的自适应植入物. 但聚乳酸/羟基磷灰石复合材料的形状记忆活化温度高于人体生理温度37 ℃, 因此, 降低支架的形状记忆活化温度是一个急需解决的问题. Miao等[63]制备了一种具有优异变形能力的热固性SMP梯度多孔支架, 该支架的梯度孔隙率模仿了天然组织中的梯度孔隙率, 孔隙间显示出极好的连通性, 从而实现了良好的养分灌注和废物清除. 支架的玻璃化转变温度低于37 ℃(图 2(A)), 并且在人体生理温度下的形状记忆回复率和恢复速度方面均表现出优异的效果, 这为开发用于组织工程的复杂梯度支架提供了方法.

    图 2

    图 2.  (A) 聚己内酯三醇、蓖麻油与交联剂反应合成的SMP反应机理. 以及该SMP支架在37 ℃下的形状恢复过程[63]. (B) 直写式3D打印过程及油墨沉积过程中引发的UV交联反应示意图; 支架限制性形状恢复过程以及在交变磁场触发下的的限制性形状恢复过程, SO、SD和SRr分别表示原始形状、变形形状和受条件限制下的恢复形状[64]. (C) 甲基丙烯酸酯化聚己内酯合成示意图及3D打印的气管支架变形过程[65]
    Figure 2.  (A) The reaction mechanism of SMP synthesized by the reaction of polycaprolactone triol, castor oil and crosslinker, and the shape recovery process of the SMP scaffold at 37 ℃[63]. (B) Schematic illustration of the direct writing printing process and UV cross-linking reaction triggered during the depositing process. The restrictive shape recovery process of the stent and the restricted shape recovery process triggered by the alternating magnetic field. The original shape, the deformed shape and the restored shape under the conditional constraints are represented by SO, SD and SRr respectively[64]. (C) Schematic diagram of polycaprolactone (PCL) dimethacrylates synthesis and deformation process of 3D printed tracheal stent [65]

    Wei等[64]在聚乳酸中添加了四氧化三铁(Fe3O4)纳米颗粒, 通过直写式的3D打印方法制备了形状记忆血管支架, 该血管支架具有热驱动和磁驱动两种驱动方式. 磁驱动的方式实现了血管支架的远程激活驱动, 这种驱动方式更便捷且易于在人体内进行操作, 还可以避免热驱动下温度过高对人体组织的伤害. 如图 2(B)所示, 首先将该血管支架打印成长条状的多层结构, 然后将长条状的支架变形为内径为1 mm的螺旋结构, 最后将螺旋结构放置在模拟血管的长管中, 通过磁场的刺激, 使其膨胀为直径更大的螺旋结构, 从而达到扩张支撑血管的作用. 该方法为设计具有多功能特性的4D主动变形系统提供了一种有效的策略, 显示了其在微创医学领域中巨大的应用潜力. Zarek等[65]采用UV-LED立体光刻3D打印技术制备出一种气管支架, 热刺激下该气管支架可在14 s内完全展开(图 2(C)). 相比于其他的气管支架, 该支架有两个明显的优势, 首先, 这种基于定制结构的气管支架与拱廊结构和软骨环的位置更匹配, 可以减少其在气管内的迁移; 此外, 这种定制的支架尺寸稍大, 可以更好地匹配气管并确保稳定的固定. 这种个性化定制的设计方法可将具有形状记忆功能的生物医学设备更广泛地应用于临床适应症中.

    双重SMP一般只具有一个可逆开关且只能固定一个临时形状, 并通过一步形状变化恢复其永久形状. 许多具体和复杂的应用则需要具有多个临时形状的形状记忆材料, 实现多重可控的恢复以满足更多的要求, 这为多重SMP的发展提供了动力. 与双重SMP不同, 多重SMP可以保持除原始形状和永久形状之外的一个或多个形状. 多重SMP一般为复合材料, 它可能具有多个可逆开关或具有一个宽范围的温度开关[66, 67], 一般多重形状记忆效应需要多个步骤的热机械编程才能实现[56].

    2.2.1   基于多材料复合的多重形状记忆

    Luo和Mather[68]报道了一种基于纤维/基体复合材料制备的多重SMP的通用方法, 其将具有低熔融转变温度半结晶PCL纤维嵌入到玻璃化转变型环氧基的共聚物SMP基质中, 开发了一种三重形状记忆复合材料. 环氧基的共聚物由双酚A (DGEBA), 新戊二醇二环氧甘油醚(NGDE)和二胺固化剂(Jeffamine D230)反应合成. 该SMP复合材料可以通过选择不同的纤维和SMP基体来控制转变温度, 它可以固定两个临时形状, 并在热驱动下从第一临时形状恢复到第二临时形状, 最后恢复到永久形状(图 3(A)). 这种具有多功能性和通用性的复合方法使得设计三重SMP具有前所未有的灵活性. 与上一方法类似, Wu等[69]基于TangoBlack plus、DM8530和DM9895三种SMP, 报道了一种基质(TangoBlack plus)与两种纤维(DM8530和DM9895)复合, 通过3D打印方式制备的一种热驱动的多层复合SMP, 实现了四重形状记忆效应. 该复合材料的基质和两种纤维均为数字材料, 玻璃化转变温度分别为2 ℃、38 ℃和57 ℃, 在高于三种SMP的玻璃化转变温度下将带状复合材料拉伸, 接着冷却固定临时形状. 如果以三种SMP的玻璃化转变温度为临界点由低到高依次升温, 复合SMP会逐步变为不同的临时形状直至恢复为平直的永久形状. 并且通过改变两种SMP纤维的排布方式和比例, 同样进行拉伸赋形, 加热后样品也会具有不同的变形行为, 如图 3(B)展示了在交错升温的过程中, 不同排布的复合SMP表现出弯曲、螺旋和波浪状的变形行为. 该复合材料具有多形状记忆效应可控的优点, 且制备工艺简单, 在4D印刷领域具有广阔的应用前景.

    图 3

    图 3.  (A) 双酚A (DGEBA)、新戊二醇二缩水甘油醚(NGDE)和Jeffamine D-230的化学式. 及复合材料从临时形状1、临时形状2和永久形状顺序的恢复过程[68]. (B)弯曲、螺旋及波浪形状的结构的设计及其形状记忆恢复过程中的变形行为[69]
    Figure 3.  (A) The chemical structures of diglycidyl ether of bisphenol-A (DGEBA), neopentyl glycol diglycidyl ether (NGDE), and Jeffamine D-230. And recovery process of composite from temporary shape 1, temporary shape 2 and permanent shape sequence[68]. (B) Details of curved, helix and wave shape design and deformation behavior during shape memory recovery [69]

    普通的环氧类聚合物热转变温度为20~90 ℃, Xie等[70]采用硬质芳族双环氧化合物(EPON 826)、柔性脂族双环氧化合物(NGDE)和脂族二胺(Jeffamine D-230)配制热固性环氧树脂. 通过改变EPON 826与NGDE之间的比例, 合成两种环氧SMP, 玻璃化转变温度分别为38 ℃和75 ℃, 制备了一种双层结构的三重形状记忆效应SMP. 首先固化一层具有高玻璃化转变温度的环氧类SMP, 然后在这层上面再固化一层低玻璃化转变温度的环氧类SMP. 由于两层表面上残留的环氧基或胺基之间的反应, 所以两层环氧类SMP界面具有优异的结合性, 并且通过改变两层之间的比例可以很好地调整形状的固定性.

    2.2.2   基于交联结构的多重形状记忆

    Cuevas等[71]采用共混和交联了两个半结晶聚合物聚环辛烯和聚乙烯, 在单个聚合物中产生了两个明显分离的晶域, 从而在同一交联结构内创建了两个具有不同的熔化温度作为形状记忆转换的开关, 实现了三重记忆效应. 此外, 通过控制两种SMP的交联密度、平衡体系的热性能和动态机械热性能, 以及共价交联相的弹性和结晶度, 均可以达到调节两个转变温度和相关形状记忆能力的目的. Bellin等[72]基于聚乙二醇单甲醚单甲基丙烯酸酯与聚己内酯二甲基丙烯酸酯的共聚物开发了一种三重SMP. 该聚合物的结晶聚己内酯结构域和结晶聚乙二醇结构域充当了两个转换相的作用, 如图 4(A)所示. 与上述方法原理相类似, Kolesov和Radusch[73]混合并交联了线性高密度聚乙烯、乙烯-1-辛烯共聚物和短链支化聚乙烯, 制备了一种具有多种结晶和熔融行为的SMP, 该共混物经过三步热机械编程后可实现三重形状记忆效应.

    图 4

    图 4.  (A) PCL/PEG的三重形状记忆过程以及SMP网络三重形状记忆效应的分子机理. (a) 通过PCL相固定临时形状(I), (b) 通过PEG相固定临时形状(II), (c) 通过PCL和PEG相固定临时形状(III)[72]. (B) PMMA/PEG半互穿聚合物网络在单个形状记忆周期中实现了五重形状固定和恢复[74]
    Figure 4.  (A) Triple-shape effect of PCL/PEG and molecular mechanism of three alternative ways of dual-shape programming for graft polymer networks. (a) Fixation of the temporary shape by the PCL phase (I), (b) fixation of the temporary shape by the PEG phase (II), (c) fixation of the temporary shape by PCL and PEG phases (III)[72]. (B) PMMA/PEG semi-interpenetrating polymer network achieves quintuple-shape memory process[74]

    一般多重SMP都是三重或者四重形状记忆变形, Li等[74]首次报道了一种可以实现五重形状记忆的SMP, 其采用一种聚甲基丙烯酸甲酯/聚乙二醇(PMMA/PEG)半互穿网络作为材料, 该网络具有更宽的玻璃化转变温度(45~125 ℃), 选择玻璃化转变温度范围内的50 ℃、70 ℃、110 ℃和聚乙二醇的熔融温度35 ℃, 作为四个转变温度, 从而实现五重形状记忆效应. 如图 4(B)所示, 通过逐步加热到相应的转变温度, PMMA/PEG互穿网络SMP在单个形状记忆周期中, 可以通过五重形状记忆逐步恢复为永久形状. 这项研究表明互穿聚合物网络是加宽的玻璃化转变温度范围的一种有效的方法, 除了PMMA/PEG半互穿网络以外, 可根据实际需求对材料进行选择, 从加宽SMP的玻璃化转变温度内选择合适的温度, 并且熔融温度也可作为转变温度, 从而为实际应用的设计提供了更大的自由度.

    对于一些难以进行环境加热的实际应用(例如在生物医学领域, 加热温度过高可能会对周围组织的潜在损伤)来说, 非接触的远程驱动方式变得尤为重要. Kumar等[75]制备了一种二氧化硅包覆的氧化铁纳米颗粒与聚己内酯和聚甲基丙烯酸环己酯(PCHMA)交联的多相聚合物网络复合的材料. 该纳米复合材料表现出两个温度相差较大的热转变, 分别为晶态聚己内酯在47 ℃的熔融转变和非晶态聚甲基丙烯酸环己酯在145 ℃的玻璃转变. 该复合纳米材料可以通过磁场进行远程驱动, 在频率为258 kHz的交变磁场中进行感应加热实验, 随着磁场强度的逐步增强, 纳米复合材料表现出两步的形状恢复过程, 触发了三重形状记忆效应.

    多种聚合物复合和交联结构是制造多重SMP的较为普遍的方法, 这样可以将多个驱动条件整合到单一样品中. 虽然以上各种方式实现了多个步骤的形状恢复效果, 但是精确控制形状的恢复过程和保持临时形状的稳定仍然是一个巨大的挑战.

    通常形状记忆效应需要在刺激驱动条件下人为的赋形后才能触发形状记忆效应. 然而, 对于一些空间结构和远程应用, 通过人为外力产生折叠变形的操作难以实现. 在这种情况下, 自动折叠变形的功能变得尤为重要. 自折叠结构触发形状记忆效应不需要外部操作赋予形状, 而是将固有形式的其他能量转换为机械能, 从而在驱动条件下折叠为所需形状或从所需形状展开. 自折叠结构在空间系统、水下机器人、小型设备和自组装系统等领域有极大的应用前景[76, 77].

    2.3.1   基于预应力的自折叠结构

    van Manen等[78]基于熔融沉积的3D打印和廉价的SMP材料, 报道了一种具有多功能性的自折叠变形技术. 在打印的过程中, 通过控制打印参数对挤出丝进行预拉伸, 将临时形状赋予打印出的样品, 并且通过改变多层结构、层间角度以及层间排布方式将表面相关功能与复杂的三维形状结合在一起, 当高温触发时, 具有各向异性/各向同性变形的多层平面结构将变形为预先编程的三维形状. 基于这种简单通用的方法, 图 5(A)展示了自折叠折纸结构和顺序变化的变形方式. 这种简便的变形技术为功能诱导材料的制备提供了一条新的途径, 在生物技术、电子技术和复杂材料工程中有着潜在的应用价值. 同样, 采用熔融沉积3D打印的方法, Zhang 等[79]报道了一种具有热收缩性能的SMP材料. 在制造的过程中, 受到平台或上一层材料的限制, 熔融挤出丝无法收缩, 且熔融的材料直接在室温下冷却, 在快速冷的过程中积累了内应力, 因此其初始结构在加热条件下会发生自发的形状转变.

    图 5

    图 5.  (A)自折叠盒、自折叠十二面体和与半被动面板结合起来的自弯曲驱动器, 以及叶子和花朵的顺序形状变化, 结构中的活动区域用白色矩形突出显示[78]. (B)墨迹区域在光照下通过光热转换对聚苯乙烯加热, 使平面的聚苯乙烯板自发的折叠成三维物体[80].
    Figure 5.  (A) Self-folding box, self-folding dodecahedron and self-bending actuator combined with semi-passive panel, and the sequential shape changes of leaves and flower, the active area in the structure is highlighted with a white rectangle [78]. (B) The black ink absorbs light and heats the PS so that the flat PS plate spontaneously folds into a three-dimensional object [80].

    Liu等[80]报道了一种光刺激聚苯乙烯(PS)薄膜自折叠的方法. 在经过预应变拉伸的聚苯乙烯片材上进行喷墨打印, 黑色墨粉可以提高聚苯乙烯板对光的吸收进而实现光热转换, 实现聚苯乙烯板局部加热. 墨迹区域起到了自折叠结构中铰链的作用, 在光照下铰链处通过光热转换实现对聚苯乙烯的加热, 使平面的聚苯乙烯板自发的折叠成三维物体(图 5(B)). 折叠角度可以通过铰链处墨迹区域的形状、大小、图案以及光线的强弱和曝光时间来控制. 以上几种自折叠结构均是在外界刺激驱动下释放内应力, 使铰链处或活性部分发生折叠, 从平面自发折叠为三维结构, 这种折叠结构通过预先的编程和设计, 既可以顺序折叠也可以同时折叠. 但以上的自折叠结构都很难应用于微结构变形中, 这限制了自折叠设备的复杂性和最小尺寸. Felton等[81]提出了一种毫米级的自折叠结构, 其特征尺寸范围为0.5~40 mm, 在热刺激下可进行同时折叠, 通过电阻加热可进行顺序折叠.

    2.3.2   基于复合材料的自折叠结构

    Mao等[82]研究了一种热刺激下可顺序折叠和自锁的结构, 该结构是通过3D打印数字材料制备而成. 数字材料是由VeroWhite和Tangoblack这两种基础材料通过特定的比例混合创建的材料. VeroWhite常温下是一种刚性塑料, 由丙烯酸异冰片酯、丙烯酸单体、聚氨酯丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯、丙烯酸单体、丙烯酸低聚物和光引发剂的油墨聚合而成. TangoBlack室温下是一种橡胶状材料, 可通过氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物、Exo-1, 7, 7-三甲基双环[2.2.1]丙烯酸庚-2-基酯、甲基丙烯酸酯低聚物、聚氨酯树脂和光引发剂聚合而成. 图 6(A)左展示了当进行热刺激时, 数字SMP铰链对热刺激做出快速响应, 顺序自动折叠成指定的形状. 基于此, Mao等[82]还开发了一种预测碰撞的度量标准, 用于设计自锁结构, 图 6(A)右展示了一种可自锁定的盒子.

    图 6

    图 6.  (A)具有均匀铰链和具有渐变铰链的螺旋组件顺序恢复过程和加热后折叠为具有自锁机制的盒子[82]. (B)自折叠立方体、二十面体、三浦和波纹结构[83]. (C)电阻电路同时激活四个铰链的折叠金字塔, 顺序折叠的锁定组件, 以及自折叠的纸鹤[84]
    Figure 6.  (A) The sequential recovery process of the spiral assembly with a uniform hinge and a gradient hinge, folded into a box with a self-locking mechanism after heating[82]. (B) Self-folding of cube, icosahedron, miura pattern and corrugated structure[83]. (C) A pyramid folded by activating four hinges simultaneously by circuits, sequentially folded locking assembly and a crane folded in sequence and simultaneously[84]

    由于仅使用SMP很难获得清晰的折叠线, Tolley等[83]设计了一种三层的自折叠复合材料, 中间是SMP层, 采用了预先拉伸的聚苯乙烯收缩片, 外侧是两个结构层, 为纸板层, 三层结构通过在高温下仍具有粘合力的双面硅酮胶带粘合在一起. 加热时中间的SMP层收缩, 外侧结构层上的缝隙可以控制中间层的弯曲方向, 缝隙的宽度会影响中间层的弯曲角度, 由此控制复合材料自动折叠为预先设计好的三维结构, 图 6(B)展示了四种自折叠结构. 在此基础上, 他们还提出了一种使用热熔胶(hot melt adhesive, HMA)实现这些层合板自密封的方法, 并发现密封后结构承受的荷载是未密封结构的两倍.

    Felton等[84]使用SMP、纸张和电阻电路制造了一种电刺激的自折叠铰链结构. SMP采用聚烯烃(polyolefin, PO)平板和聚苯乙烯(polystyrene, PS)平板, 铰链处的电阻电路蚀刻到12 μm厚的聚酰亚胺片上, 将复合材料和电阻电路粘合到纸上, 通过通电产生的焦耳热对铰链处进行加热活化从而驱动发生形变. 当加热至玻璃化转变温度以上时, SMP层收缩会导致复合材料沿着基板弱化的线条弯曲, 将弯曲定位在铰链处. 通过控制铰链处电路同时通电或对铰链处的电路以不同的顺序通电, 可以实现同时或顺序折叠. 图 6(C)展示了同时折叠的金字塔, 顺序折叠的锁定组件, 以及自折叠的纸鹤. 该方法与3D打印加工方法相比成本更低、更便于操作, 这使其成为基于二维新型可印刷制造技术的理想基础.

    以上各自折叠结构都难以应用于人体内部, 无法达到生物医学的3D微米结构的应用要求. 莱布尼兹聚合物研究所Zakharchenko等[85]报道了一种微粒包裹和释放可控的新方法, 制备了一种部分可生物降解的热敏和磁敏感应的自滚动管, 该管能够准确捕获和释放尺寸最大为10 µm(即活细胞大小)的物体(图 7(A)). 在此基础上, 该课题组[86]制造了一种部分可生物降解的热响应星形的自折叠胶囊, 该自折叠胶囊能够精准控制细胞的捕获和释放. 这种胶囊是由可生物降解的疏水聚己内 酯层和热响应水凝胶(poly(N-isopropylacrylamide), PNIPAM)层组成的双层结构. 水凝胶层在温度的刺激下发生膨胀和收缩, 而聚己内酯层限制水凝胶在一个方向上的膨胀, 因此这种双层材料不能均匀地膨胀/收缩, 而是随着水凝胶层的膨胀和收缩实现星型结构的折叠和展开. 图 7(B)展示了四臂和六臂自折叠胶囊的自折叠过程, 这种展开过程是完全可逆的, 且经过多次折叠-展开循环, 并没有残余变形. 这种自折叠胶囊可以进行靶向药的运输, 也可以组装成三维支架, 在细胞组织工程中具有很大的应用前景.

    图 7

    图 7.  (A) 通过低温捕获和高温释放微粒的自滚动微管示意图[85]. (B) 四臂和六臂自折叠胶囊的自折叠过程[86]
    Figure 7.  (A) Scheme of low temperature capture and high temperature release of microparticles by self-rolling microtubes[85]. (B) The self-folding process of four-arm and six-arm self-folding capsules[86]

    通常SMP的变形是不可逆的, 呈现一种单向的变形模式, 其重复的变形过程则需要对其进行再次赋形. 而双向可逆形状记忆效应与之不同, 该变形过程无需在每次变形前对SMP进行赋形, 就可以在驱动条件下在永久形状和临时形状之间可逆的互相转换, 因此在生物医疗[87]、传感器及驱动器[88]等领域显示出巨大的应用前景.

    Westbrook等[89]将预拉伸的SMP嵌入到弹性体基质中制备了一种可实现双向形状记忆效应的核-壳结构的复合材料. 嵌入的SMP为过氧化二异丙苯引发聚环辛烯的交联物, 弹性基质为丙烯酸酯类聚合物. 该复合材料可在热刺激下产生双向形状记忆行为, 可实现长度约为执行器长度10%的横向可逆形变. Pyo等[90]基于尼龙12和镍钛诺细丝, 通过3D打印技术制造了一种电刺激形状记忆可逆的复合材料. 尼龙12的永久形状为弯曲状态, 镍钛诺细丝的永久形状为平直状态, 将具有平直临时形状的尼龙12和具有弯曲临时形状的镍钛诺细丝复合在一起. 在低温下, 镍钛诺细丝在尼龙12中以纤维形式存在, 可以提高材料的力学强度. 如图 8(A), 当有电流在镍钛诺细丝通过时, 镍钛诺细丝的形状记忆效应在复合材料中起主导作用, 材料向外扩张弯曲程度减小. 20 s后由于焦耳热效应, 尼龙12的形状记忆效应在复合材料中占主导地位, 材料向内收缩弯曲程度增大. 通过尼龙12和镍钛诺细丝之间的这种相互驱动作用, 温度和相变的差异使该复合材料表现出连续可逆的弯曲变形.

    图 8

    图 8.  (A)复合材料可逆变形的驱动机制示意图以及驱动器通电前后的热成像[90]. (B)水凝胶由聚合物和弹性体层包裹限制双向可逆执行器的设计示意图及双向驱动过程示意图. 以及可逆变形的梯子、环、网和自折叠/展开折纸结构[91]
    Figure 8.  (A) Schematic diagram of the driving mechanism of the reversible composite material and thermal image of actuator before current flow and after current flow[90]. (B) Schematic diagram of the design and bidirectional driving process of a bidirectional reversible actuator with a hydrogel wrapped by a polymer and elastomer layer. And reversible ladder, ring, net and self-folding/unfolding origami structure [91]

    Mao等[91]提出了一种新型可逆形变组件设计的概念, 通过将环境敏感型SMP和水凝胶集成到同一3D架构中, 以水凝胶的溶胀作为形状改变的驱动力, 依靠SMP的形状记忆效应来调节形状变化的时间, 从而创建了一种可以可逆切换的双向变形组件. SMP采用数字材料Grey60和室温下呈橡胶状的Tangoblack, 通过控制温度和水环境, 该组件就可以可逆地在两种稳定的形状之间进行切换. 图 8(B)展示了基于这种可逆结构制备的可逆变形的梯子、圆环、网状结构以及自折叠/展开结构.

    Ze等[92]研发出一种集可编程、无约束、快速和可逆的形状转换于一体的磁驱动SMP复合材料. 该复合材料是由聚丙烯酸酯、微米级四氧化三铁和钕铁硼(NdFeB)颗粒混合而成, 聚丙烯酸酯基质具有刚度可调特性, 因此可实现低温形状记忆和高温快速驱动; 四氧化三铁颗粒在高频磁场作用下感应加热, 可用于远程加热材料使基体软化, 起到了形状锁定和解锁的作用; 钕铁硼颗粒在驱动磁场作用下可以使材料产生可重构的快速可逆变形(图 9(A)). 基于这些功能, 研究者制造了软机械手、可展开/可重构天线、顺序驱动装置和数字逻辑电路等, 其成果在微创手术的生物医学设备、活性超材料、柔性电子、形态计算和自主软机器人方面具有重要的应用潜力.

    图 9

    图 9.  (A) 磁性SMP工作机理以及利用叠加磁场实现的可逆变形的悬臂弯曲和夹持器[92]. (B)纳米复合材料设计的示意图, 并展示了同一样本在不同的驱动几何形状下的可重编程性及磁触发的可逆形状变化[93]
    Figure 9.  (A) Working mechanism of magnetic SMP and the reversible cantilever bending and gripper by superimposed magnetic field[92]. (B) Schematic diagram of nanocomposite design, and shows demonstrating the reprogram ability of one and the same sample to different actuation geometries[93]

    Li等[93]制造了一种远程控制的双向形变的软致动器, 该致动器由星形低聚ε-己内酯(stOCL)、星形低聚ω-戊烯内酯(stOPDL)以及磁性纳米颗粒组成. 如图 9(B), 星形低聚ε-己内酯中的结晶形变域(AU)可实现变形的可逆驱动, 星形低聚ω-戊烯内酯中的几何形状稳定域(GU)热力学更稳定, 在变形过程中起到保证整体的稳定性的作用. 该复合材料可在交变磁场的作用下间接加热从而触发可逆运动. 与现有弹性体或水凝胶复合材料磁控可逆形状变化依赖于外部磁场的不同, 该致动器变形的形状由GU形成的骨架确定而不是磁场方向. 并且GU骨架可以通过磁或热机械过程进行物理编程, 编程过程是完全可逆的, 可以任意更改. 该SMP纳米复合材料显示出优异的耐用性, 磁触发驱动能够进行500个以上的循环, 图 9(B)下展示了几种不同编程的可逆形状转换的实例.

    Behl等[94]基于聚己内酯和聚十五内酯(PPD), 合成了一种具有两种不同的可结晶链段的多相共聚酯氨基甲酸酯网络. 这些链段形成了致动器域和位移几何确定域, 在冷却过程中致动器域发生膨胀, 而在加热过程中位移几何确定域发生收缩, 因此该共聚物网络可在无应力的条件下在两种不同形状之间重复激活, 实现可逆的双向形状记忆效应. 图 10(A)展示了抓手可逆的抓取和释放及可逆固定器的变换过程. Gao等[95]报道了一种具有链微结构的热塑性乙烯/1-辛烯二嵌段共聚物, 该共聚物的硬链段会形成较大的晶体且具有高熔化温度, 可以充当保持永久形状的骨架; 而软链段的晶体尺寸较小且熔化温度较低, 起到了致动器并固定临时形状的作用(图 10(B)). 同时, 该共聚物可以通过改变硬链段和软链段的长度和比例来调整链状微结构, 以此控制嵌段共聚物的形状记忆特性, 在无应力条件下该共聚物不仅表现出传统的单向的多形状记忆效应, 而且还具有双向可逆的形状记忆效应.

    图 10

    图 10.  (A)双向形状记忆编程示意图. 可抓取并释放硬币的可逆抓取器装置和加热时塌陷, 冷却时膨胀的可逆固定器装置[94]. (B)热塑性聚烯烃弹性体可逆形状记忆效应与周期的关系以及可逆形状记忆机理示意图[95]
    Figure 10.  (A) Schematic diagram of reversible shape memory programming. Reversible gripper device that can grab and release coin and reversible fixer device that collapses when heated and expands when cooled[94]. (B) Reversible shape memory effect vs cycles and schematic graph of reversible shape memory effect of thermoplastic polyolefin elastomer[95]

    本综述介绍了SMP变形模式的发展趋势与应用前景, SMP由于其自身密度低、易于赋形、变形量大、形变温度、驱动方法丰富以及容易改性和加工等优势, 在许多领域展示出巨大的应用价值. 随着各领域的发展以及应用情况的不同, 单一的双重形状记忆模式已经难以满足各领域的需求, 在此基础上开发出的多重形状记忆的变形模式、自折叠变形模式和形状记忆可逆的SMP得到更多关注. 现今, 形状记忆材料已经得到了全面的发展, 在制造技术上, 为了保证变形精度与实现复杂的变形结构, 多采用与3D打印相结合, 这样既可以创建出复杂精确的结构, 还可以通过3D打印参数的设定对样件进行性能优化. 同时, 3D打印技术还实现了多种形状记忆材料复合制备, 这为不同的变形模式形状记忆材料的发展提供了更加便利的条件. 在材料研发方面, 虽然目前形状记忆聚合物种类较多, 发展也较为成熟了, 然而, 大多形状记忆聚合物在应用上还有诸多限制, 如材料强度较弱、变形温度过高、变形速率较低等, 因此, 亟待开发适应复杂工况条件的新型形状记忆材料. 在理论方面, 如何基于形状记忆材料多模式变形机理, 实现高精度变形调控、高速率大变形、高效率回复、多模式变形方式等一体化提升, 也是其重要的研究方向. 在应用方面, 需要发展能够在极端工况、复杂工况、动态工况下服役的新型形状记忆聚合物, 以满足当下科学与工程技术的发展需求. 尽管多种变形模式的研究和制备拓宽了SMP的应用, 但为了满足不同领域的应用需求, 仍有许多问题需要深入地研究: (1)对于双重形状记忆进行更加复杂精细的结构制造和功能改性, 使其实现多次变形后仍具有良好的固定率和回复率; (2)多重形状记忆效应需精确控制形状的恢复过程和保持形状的稳定, 实现对变形应变、形状固定率和回复率的精确控制; (3)自折叠结构需精准控制变形的角度和位置, 使其更具通用性, 从而满足各领域实际需求; (4)可逆SMP材料中需引入功能性材料改善其力学性能和双向形状记忆性能, 实现可逆变形过程中更加复杂的形态转换, 以及减小往复变形中的形状残留等. 但不论何种变形模式, 变形时能够迅速响应并且快速变形、实现局部区域变形的精确控制、对变形温度的调控、将多种功能整合到同一材料中相互作用以及多重形状记忆、自折叠结构和形状记忆可多种变形模式相结合等都是本领域十分有价值的潜在研究方向. 具有不同变形模式的新型设计与材料, 打破了传统形状记忆聚合物只能从一个临时形状到永久形状的单一变形方式, 这使形状记忆聚合物的应用具有更大的潜力, 如可应用于机器人、柔性电子、智能驱动器、自动控制器件, 自适应机构、智能调控预制体等. 其中, 双重形状记忆聚合物多应用于医疗领域中的血管支架、人造血管以及人工骨等; 多重形状记忆聚合物可应用于恢复过程可控的智能设备和药物释放等领域; 自折叠结构可应用于空间系统、水下机器人和自组装系统等; 形状记忆可逆材料多应用于执行器、自运动机器人和人造肌肉等. 不同的变形模式针对各领域能够发挥各自不同的优势, 展示出独特的应用价值, 凭借其各自的优势将在这些领域开辟一个新的研究方向. SMP变形模式的发展仍具有很大的空间, 对于SMP变形模式的深入研究将进一步拓宽其在生物医疗器械、航空航天、电子工程、远程驱动以及可部署的空间结构等领域的应用.


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  • 图 1  (A) 光固化SMP是以单官能团单体甲基丙烯酸苄酯(BMA)为线性链构建剂, 多官能团齐聚物聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(PEGDMA)、双酚A乙氧基二甲基丙烯酸酯(BPA)和二(乙二醇)二甲基丙烯酸酯(DEGDMA)为交联剂构建而成. 并展示了4D打印的形状记忆埃菲尔铁塔、支架和具有不同结构形状的仿生抓手及其变形过程[60]. (B) 精致而复杂的心血管支架、埃菲尔铁塔和鹰模型的3D打印结构, 以及在70 ℃时它们形状恢复的过程[61]

    Figure 1  (A) Photo-curable shape memory polymer network is constructed by mono-functional monomer, benzyl methacrylate (BMA) as linear chain builder (LCB), and multi-functional oligomers, poly(ethylene glycol) dimethacrylate (PEGDMA), bisphenol A ethoxylate dimethacrylate (BPA), and di(ethylene glycol) dimethacrylate (DEGDMA) as crosslinkers. And 4D printed shape memory Eiffel Tower, stent and bionic gripper with different structural shapes and their deformation process[60]. (B) Exquisite and complex 3D printed structure of cardiovascular stent, Eiffel Tower and Eagle model and the process of their shape recovery at 70 ℃[61]

    图 2  (A) 聚己内酯三醇、蓖麻油与交联剂反应合成的SMP反应机理. 以及该SMP支架在37 ℃下的形状恢复过程[63]. (B) 直写式3D打印过程及油墨沉积过程中引发的UV交联反应示意图; 支架限制性形状恢复过程以及在交变磁场触发下的的限制性形状恢复过程, SO、SD和SRr分别表示原始形状、变形形状和受条件限制下的恢复形状[64]. (C) 甲基丙烯酸酯化聚己内酯合成示意图及3D打印的气管支架变形过程[65]

    Figure 2  (A) The reaction mechanism of SMP synthesized by the reaction of polycaprolactone triol, castor oil and crosslinker, and the shape recovery process of the SMP scaffold at 37 ℃[63]. (B) Schematic illustration of the direct writing printing process and UV cross-linking reaction triggered during the depositing process. The restrictive shape recovery process of the stent and the restricted shape recovery process triggered by the alternating magnetic field. The original shape, the deformed shape and the restored shape under the conditional constraints are represented by SO, SD and SRr respectively[64]. (C) Schematic diagram of polycaprolactone (PCL) dimethacrylates synthesis and deformation process of 3D printed tracheal stent [65]

    图 3  (A) 双酚A (DGEBA)、新戊二醇二缩水甘油醚(NGDE)和Jeffamine D-230的化学式. 及复合材料从临时形状1、临时形状2和永久形状顺序的恢复过程[68]. (B)弯曲、螺旋及波浪形状的结构的设计及其形状记忆恢复过程中的变形行为[69]

    Figure 3  (A) The chemical structures of diglycidyl ether of bisphenol-A (DGEBA), neopentyl glycol diglycidyl ether (NGDE), and Jeffamine D-230. And recovery process of composite from temporary shape 1, temporary shape 2 and permanent shape sequence[68]. (B) Details of curved, helix and wave shape design and deformation behavior during shape memory recovery [69]

    图 4  (A) PCL/PEG的三重形状记忆过程以及SMP网络三重形状记忆效应的分子机理. (a) 通过PCL相固定临时形状(I), (b) 通过PEG相固定临时形状(II), (c) 通过PCL和PEG相固定临时形状(III)[72]. (B) PMMA/PEG半互穿聚合物网络在单个形状记忆周期中实现了五重形状固定和恢复[74]

    Figure 4  (A) Triple-shape effect of PCL/PEG and molecular mechanism of three alternative ways of dual-shape programming for graft polymer networks. (a) Fixation of the temporary shape by the PCL phase (I), (b) fixation of the temporary shape by the PEG phase (II), (c) fixation of the temporary shape by PCL and PEG phases (III)[72]. (B) PMMA/PEG semi-interpenetrating polymer network achieves quintuple-shape memory process[74]

    图 5  (A)自折叠盒、自折叠十二面体和与半被动面板结合起来的自弯曲驱动器, 以及叶子和花朵的顺序形状变化, 结构中的活动区域用白色矩形突出显示[78]. (B)墨迹区域在光照下通过光热转换对聚苯乙烯加热, 使平面的聚苯乙烯板自发的折叠成三维物体[80].

    Figure 5  (A) Self-folding box, self-folding dodecahedron and self-bending actuator combined with semi-passive panel, and the sequential shape changes of leaves and flower, the active area in the structure is highlighted with a white rectangle [78]. (B) The black ink absorbs light and heats the PS so that the flat PS plate spontaneously folds into a three-dimensional object [80].

    图 6  (A)具有均匀铰链和具有渐变铰链的螺旋组件顺序恢复过程和加热后折叠为具有自锁机制的盒子[82]. (B)自折叠立方体、二十面体、三浦和波纹结构[83]. (C)电阻电路同时激活四个铰链的折叠金字塔, 顺序折叠的锁定组件, 以及自折叠的纸鹤[84]

    Figure 6  (A) The sequential recovery process of the spiral assembly with a uniform hinge and a gradient hinge, folded into a box with a self-locking mechanism after heating[82]. (B) Self-folding of cube, icosahedron, miura pattern and corrugated structure[83]. (C) A pyramid folded by activating four hinges simultaneously by circuits, sequentially folded locking assembly and a crane folded in sequence and simultaneously[84]

    图 7  (A) 通过低温捕获和高温释放微粒的自滚动微管示意图[85]. (B) 四臂和六臂自折叠胶囊的自折叠过程[86]

    Figure 7  (A) Scheme of low temperature capture and high temperature release of microparticles by self-rolling microtubes[85]. (B) The self-folding process of four-arm and six-arm self-folding capsules[86]

    图 8  (A)复合材料可逆变形的驱动机制示意图以及驱动器通电前后的热成像[90]. (B)水凝胶由聚合物和弹性体层包裹限制双向可逆执行器的设计示意图及双向驱动过程示意图. 以及可逆变形的梯子、环、网和自折叠/展开折纸结构[91]

    Figure 8  (A) Schematic diagram of the driving mechanism of the reversible composite material and thermal image of actuator before current flow and after current flow[90]. (B) Schematic diagram of the design and bidirectional driving process of a bidirectional reversible actuator with a hydrogel wrapped by a polymer and elastomer layer. And reversible ladder, ring, net and self-folding/unfolding origami structure [91]

    图 9  (A) 磁性SMP工作机理以及利用叠加磁场实现的可逆变形的悬臂弯曲和夹持器[92]. (B)纳米复合材料设计的示意图, 并展示了同一样本在不同的驱动几何形状下的可重编程性及磁触发的可逆形状变化[93]

    Figure 9  (A) Working mechanism of magnetic SMP and the reversible cantilever bending and gripper by superimposed magnetic field[92]. (B) Schematic diagram of nanocomposite design, and shows demonstrating the reprogram ability of one and the same sample to different actuation geometries[93]

    图 10  (A)双向形状记忆编程示意图. 可抓取并释放硬币的可逆抓取器装置和加热时塌陷, 冷却时膨胀的可逆固定器装置[94]. (B)热塑性聚烯烃弹性体可逆形状记忆效应与周期的关系以及可逆形状记忆机理示意图[95]

    Figure 10  (A) Schematic diagram of reversible shape memory programming. Reversible gripper device that can grab and release coin and reversible fixer device that collapses when heated and expands when cooled[94]. (B) Reversible shape memory effect vs cycles and schematic graph of reversible shape memory effect of thermoplastic polyolefin elastomer[95]

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  • 发布日期:  2020-09-15
  • 收稿日期:  2020-06-09
  • 网络出版日期:  2020-07-30
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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